1 / 57

מערכת שליטה בדו-גימבל

מערכת שליטה בדו-גימבל. סדר הדברים. דרישות מבנה המערכת המבוקרת וסביבת העבודה אמצעי המשוב מגברי PWM רקע תאורטי מידול המערכת מידול מנוע בודד מידול מערכת שלמה מימוש המודל ב- SIMULINK תכנון בקר בקר לא לינארי – לינארזציית מצב חוג מהירות חוג מיקום – הגבר משתנה. בדיקות ביצועים מנוע 1

latham
Download Presentation

מערכת שליטה בדו-גימבל

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. מערכת שליטה בדו-גימבל

  2. סדר הדברים • דרישות • מבנה המערכת המבוקרת וסביבת העבודה • אמצעי המשוב • מגברי PWM • רקע תאורטי • מידול המערכת • מידול מנוע בודד • מידול מערכת שלמה • מימוש המודל ב-SIMULINK • תכנון בקר • בקר לא לינארי – לינארזציית מצב • חוג מהירות • חוג מיקום – הגבר משתנה. • בדיקות ביצועים • מנוע 1 • מנוע 2 • 2 מנועים ביחד

  3. דרישות תכן אנו מניחים שדרישות דיוק הן להצביע על המדבקה העגולה על התקרה ולא לסטוט. קוטר המדבקה בערך 2 ס"מ. בכדי לחשב את השגיאה המותרת נניח שמרחק מהשולחן לתקרה הוא 2מטר. לכן

  4. תרגום שגיאת מצב מתמיד במושגי פיסקלים בתמונה לשגיאת זווית גימבל • גודל גלאי 25X25 פיקסלים • FOV (Field Of View) = 10° • שגיאת עקיבה נדרשת : • תירגום לזוויות גימבל :

  5. סדר הדברים • דרישות • מבנה המערכת המבוקרת וסביבת העבודה • אמצעי המשוב • מגברי PWM • רקע תאורטי • מידול המערכת • מידול מנוע בודד • מידול מערכת שלמה • מימוש המודל ב-SIMULINK • תכנון בקר • בקר לא לינארי – לינארזציית מצב • חוג מהירות • חוג מיקום – הגבר משתנה. • בדיקות ביצועים • מנוע 1 • מנוע 2 • 2 מנועים ביחד

  6. סביבת העבודה Gimbals Angels commands Power Amplifier X2 D/A PC Vcom Motor #1 Plant Vcom Motor #2 A/D Potentiometer #2 Measurement Potentiometer #1 Measurement

  7. מבנה ה-Plant • ה-Plant הוא מערכת דו-גימבל : 2 צירים אורתוגונליים, אשר כל אחד מהם מחובר למנוע DC. • את המנועים אנו מפעילים בעזרת DSPACE ששולט על מגברי הספק (PWM או מגבר לינארי). • אמצעי המשוב שלנו הוא מד זווית אבסולוטי (פוטנציומטר). את קריאת הפוטנציומטרים אנו דוגמים גם כן ע"י DSPACE באמצעות A/D

  8. סדר הדברים • מבנה המערכת המבוקרת וסביבת העבודה • אמצעי המשוב • מגברי PWM • רקע תאורטי • מידול מערכת • מידול מנוע בודד • מידול המערכת השלמה • מימוש ב-SIMULINK • תכנון בקר • בקר לא לינארי – לינארזציית מצב • חוג מהירות • חוג מיקום – הגבר משתנה. • בדיקות ביצועים • מנוע 1 • מנוע 2 • 2 מנועים ביחד

  9. אמצעי משוב • אמצעי המשוב שנבחר הינו פוטנציומטר. • פוטנציומטר הינו מדיד אבסולוטי. • הרצנו את מנוע על ריק (ללא עומס) ומדדנו את התוצאות • בגרף הראשון ניתן לראות את המדידה הגולמית • בגרף השני ניתן לראות את אותה המדידה לאחר ביצוע סינון וחיבור קצוות • הגרף שלישי הינו גרף המהירות שגם שם דאגנו לסנן את הנגזרת כך שהיא תהיה יחסית חלקה

  10. אמצעי משוב - המשך תופעה מעניינת שנתקלנו בה הינה קפיצה של קריאת הפוטנציומטר כאשר הוא משלים את סיבוב (360⁰). ישנן מספר דגימות במעבר שלכאורה לא היו אמורות להיווצר. כפי שניתן לראות בגרף : הבנת התופעה דורש הסבר על אופן פעולת הפוטנציומטר

  11. הסבר התופעה תפוקת הפוטנציומטר היא המתח היחסי בין ההדקים W ל-A, לכן משוואת הפוטנציומטר הינה: כלומר במצב אידאלי (נגד אחיד) היינו יכולים לרשום את הנוסחה הקודמת גם כך (כאשר αהיא הזווית של המחוג): אם הנגד יהיה 360⁰ רציף, אנו למעשה מקצרים את מתח האספקה שלנו ולכן חייב להיות פתח (קטן ככל שיהיה), שיאפשר את פעולת המדיד.

  12. הסבר תופעה - המשך • על מנת שהמחוג לא יצביע על אזור "מת" (יהיה תלוי באוויר) ואז תהיה התנגדות אינסופית, קיים המנגנון הבא: • בתוך הפוטנציומטר קיימת בליטה קטנה שגורמת למחוג להתכופף. • המחוג נמצא במגע מתמיד: לפני הקפיצה במגע עם צד אחד של המוליך, ורגע אחרי הקפיצה, עם הצד השני. • בזמן הקפיצה אין מגע פיזי בין המחוג למוליך המעגלי ונוצר אפקט קיבולי: מתח.

  13. סדר הדברים • מבנה המערכת המבוקרת וסביבת העבודה • אמצעי המשוב • מגברי PWM • רקע תאורטי • מידול מערכת • מידול מנוע בודד • מידול המערכת השלמה • מימוש ב-SIMULINK • תכנון בקר • בקר לא לינארי – לינארזציית מצב • חוג מהירות • חוג מיקום – הגבר משתנה. • בדיקות ביצועים • מנוע 1 • מנוע 2 • 2 מנועים ביחד

  14. Vs_5 מעגל מגבר ההספק - PWM Vcc Vcc Vs_5 Vcc Vcc 10KΩ 100Ω Opto-Coupler K4N26 M2 M1 Motor (*) M3 M4 10KΩ 100Ω M Inverter Opto-Coupler K4N26 M5 4.7KΩ Vspeed Vdirection Analog Ground Digital Ground

  15. Vs_5 אופן השליטה על הכיוון Vcc Vcc Vs_5 Vcc Vcc 10KΩ 100Ω '0' M2 M1 (*) M3 M4 10KΩ 100Ω M M5 4.7KΩ

  16. Vs_5 אופן השליטה על הכיוון Vcc Vcc Vs_5 Vcc Vcc 10KΩ 100Ω '1' M2 M1 (*) M3 M4 10KΩ 100Ω M M5 4.7KΩ

  17. Vs_5 אופן השליטה על המהירות Vcc Vcc Vs_5 Vcc Vcc 10KΩ 100Ω '0' M2 M1 (*) M3 M4 10KΩ 100Ω M M5 '1' 4.7KΩ

  18. Vs_5 אופן השליטה על המהירות Vcc Vcc Vs_5 Vcc Vcc 10KΩ 100Ω '0' M2 M1 (*) M3 M4 10KΩ 100Ω M M5 '0' 4.7KΩ

  19. פעולת המעגל • הפרדת אדמות הממומשת ע"י Opto-Coupler, מגנה על הרכיבים הדיגיטליים מפני זרמים חזקים המתפתחים בדרגות ההספק. • הכניסות Vspeed ו-Vdirection הן כניסות דיגיטליות היוצאות מה-DSPACE. • Vspeedהוא סיגנל PWM – גל ריבועי בעל תדר ומופע קבועים, ו-Duty Cycle משתנה בזמן בהתאם למאמץ הבקרה. • דרגת ההספק היא מעגל H-Bridge הבנוי מ-2 n-Channel MOSFETו-2 p-Channel MOSFET. אידיאלית, בכל רגע נתון רק אחד מבין זוג ה-FET-ים בעמודה מוליך. מעשית, בהחלפת כיוון קיימים פרקי זמן שבהם יש "קצר בעמודה" הגורם לחימום הרכיבים.

  20. סדר הדברים • מבנה המערכת המבוקרת וסביבת העבודה • אמצעי המשוב • מגברי PWM • רקע תאורטי • מידול מערכת • מידול מנוע בודד • מידול המערכת השלמה • מימוש ב-SIMULINK • תכנון בקר • בקר לא לינארי – לינארזציית מצב • חוג מהירות • חוג מיקום – הגבר משתנה. • בדיקות ביצועים • מנוע 1 • מנוע 2 • 2 מנועים ביחד

  21. רקע תאורטי • ציר הסיבוב אינו סיר סימטריה • פיתחנו את המשוואות המערכת:

  22. רקע תאורטי - המשך נגדיר את משתני המצב של המערכת: ונציג את המשוואה (9) במשתנים החדשים:

  23. רקע תאורטי - המשך נרשום את משוואות המצב:

  24. סדר הדברים • מבנה המערכת המבוקרת וסביבת העבודה • אמצעי המשוב • מגברי PWM • רקע תאורטי • מידול מערכת • מידול מנוע בודד • מידול המערכת השלמה • מימוש ב-SIMULINK • תכנון בקר • בקר לא לינארי – לינארזציית מצב • חוג מהירות • חוג מיקום – הגבר משתנה. • בדיקות ביצועים • מנוע 1 • מנוע 2 • 2 מנועים ביחד

  25. סדר הדברים • מבנה המערכת המבוקרת וסביבת העבודה • אמצעי המשוב • מגברי PWM • רקע תאורטי • מידול מערכת • מידול מנוע בודד • מידול המערכת השלמה • מימוש ב-SIMULINK • תכנון בקר • בקר לא לינארי – לינארזציית מצב • חוג מהירות • חוג מיקום – הגבר משתנה. • בדיקות ביצועים • מנוע 1 • מנוע 2 • 2 מנועים ביחד

  26. מידול המערכת • שיערכנו את Kt ב"שיטת לוינגר", כלומר השתמשנו בנוסחה הבאה כאשר ניתקנו בבת אחת את מתח ההספקה: • את ההתנגדות מדדנו עם אוהמטר (עשינו מיצוע). • את האנרציה קיבלנו בשיטת החבטה. • השוונו את הסימולציה עם מדידות מה- dSpace

  27. סדר הדברים • מבנה המערכת המבוקרת וסביבת העבודה • אמצעי המשוב • מגברי PWM • רקע תאורטי • מידול מערכת • מידול מנוע בודד • מידול המערכת השלמה • מימוש ב-SIMULINK • תכנון בקר • בקר לא לינארי – לינארזציית מצב • חוג מהירות • חוג מיקום – הגבר משתנה. • בדיקות ביצועים • מנוע 1 • מנוע 2 • 2 מנועים ביחד

  28. מידול המערכתהמלאה • אחרי שידענו את ההתנגדות ואת Kt של המנוע, השוני היחיד במערכת השלמה היה האינרציה (העמדנו את המערכת בניצב לשולחן – כלומר ביטלנו את חוסר אקסצנטיות) • כדי לא להסתבך עם חישוב פרמטרים מסובכים בנינו GUI שבעזרתו ניתן היה להשוות את התוצאות של הסימולציה לתוצאות האמיתיות. • השיטה הוכיחה את עצמה וקבלנו התאמה לא רעה:

  29. מידול המערכתהמלאה • אחרי שהיו בידינו כל הנתונים למעט חוסר אקסצנטריות לא התקשנו יתר על המידה למצוא את הפרמטרים החסרים. • ניתן לראות את ההתאמה:

  30. סדר הדברים • מבנה המערכת • אמצעי משוב • מגברי PWM • רקע תאורטי • מידול מערכת • מידול מנוע בודד • מידול מערכת שלמה • מימוש ב-SIMULINK • תכנון בקר • בקר לא לינארי – לינארזציית מצב • חוג מהירות • חוג מיקום – הגבר משתנה. • בדיקות ביצועים • מנוע 1 • מנוע 2 • 2 מנועים ביחד

  31. מימוש מודל המערכת ב-SIMULINK

  32. סדר הדברים • מבנה המערכת • אמצעי משוב • מגברי PWM • רקע תאורטי • מידול מערכת • מידול מנוע בודד • מידול מערכת שלמה • מימוש ב-SIMULINK • תכנון בקר • בקר לא לינארי – לינארזציית מצב • חוג מהירות • חוג מיקום – הגבר משתנה. • בדיקות ביצועים • מנוע 1 • מנוע 2 • 2 מנועים ביחד

  33. סדר הדברים • מבנה המערכת • אמצעי משוב • מגברי PWM • רקע תאורטי • מידול מערכת • מידול מנוע בודד • מידול מערכת שלמה • מימוש ב-SIMULINK • תכנון בקר • בקר לא לינארי – לינארזציית מצב • חוג מהירות • חוג מיקום – הגבר משתנה. • בדיקות ביצועים • מנוע 1 • מנוע 2 • 2 מנועים ביחד

  34. לינריזציית מצב כזכור, משוואות המצב שלנו הינן כדלקמן: לינראריזצית מצב:

  35. לינריזציית מצב - המשך המערכת החדשה שמתקבלת לאחר לינאריזציית מצב הינה: ובצורה של בלוקים:

  36. סדר הדברים • מבנה המערכת • אמצעי משוב • מגברי PWM • רקע תאורטי • מידול מערכת • מידול מנוע בודד • מידול מערכת שלמה • מימוש ב-SIMULINK • תכנון בקר • בקר לא לינארי – לינארזציית מצב • חוג מהירות • חוג מיקום – הגבר משתנה. • בדיקות ביצועים • מנוע 1 • מנוע 2 • 2 מנועים ביחד

  37. חוג מהירות • תכן הבקרה התבסס על שיטת חוגים עוקבים, כאשר החוג הפנימי הוא חוג מהירות יחסית והחיצוני הוא חוג מצב. שימוש בחוג מהירות פנימי שקול לשימוש בבקר PD. • חוג המהירות אינו משפיע על שגיאת המצב המתמיד כי אינו מעביר תדרי DC. • חוג המהירות משפר את הריסון. למשל כאשר חוצים את הזווית הרצויה, השגיאה של חוג המצב היא 0 אבל שגיאת חוג המהירות אינה 0 ומבוצע תיקון. • גזירת הפוטנציומטר מכניסה רעש בתדרים גבוהים, לכן הוכנס קוטב רחוק. צורת הגוזר :

  38. סדר הדברים • מבנה המערכת • אמצעי משוב • מגברי PWM • רקע תאורטי • מידול מערכת • מידול מנוע בודד • מידול מערכת שלמה • מימוש ב-SIMULINK • תכנון בקר • בקר לא לינארי – לינארזציית מצב • חוג מהירות • חוג מיקום – הגבר משתנה. • בדיקות ביצועים • מנוע 1 • מנוע 2 • 2 מנועים ביחד

  39. חוג מיקום - המשך כמו שראינו, לאחר לינרזציית מצב קבלנו את המערכת ההבאה: נתחיל מחישוב של ההגבר האופטימאלי(עם מקדמי בטחון): כאשר הינו מומנט הפרעה המקסימלי. את המומנט ניתן לחשב כך:

  40. חוג מיקום - המשך לכן ההגבר הנדרש הינו: ניתן עוד מקדם בטיחות ונקבל:

  41. חוג מיקום מסנן מקדים ע"מ להקטין את תגובת יתר הוספנו מסנן מקדים: כאשר a שונה בין 2 המנועים (9 ו-15 בהתאמה). השוני נובע בעיקר מהבדל במשקל שמולם מתמודדות שתי המערכות.

  42. חוג מיקום – הגבר משתנה • המטרה הייתה לבנות בקר פשוט ככל שניתן, אבל עדיין שיהיה לנו מעניין בפרוייקט  - לכן לא הלכנו בדרכים סטנדרטיות • ראינו ששילוב של חוג מהירות עם בקר הגבר נותן תוצאות סבירות, אך הבעיה התעוררה עבור פקודות גדולות – תגובת יתר הייתה גדולה • החלטנו לעשות בקר הגבר משתנה, כלומר הגבר "גדול" עבור שגיאות קטנות והגבר "קטן" עבור שגיאות גדולות, שמחליק את התגובה. • יכולנו להרשות את זה לעצמנו כי גם כך עבור 2 ההגברים האלה היינו מגיעים לרווית המגברים (אם לא השתמשנו ב-PWM) • הגדרנו קריטריון קרבה – גודל השגיאה יחד עם תנאי על מהירות נמוכה (למנוע מצב שבו מערכת "חולפת" מעל היעד במהירות גבוהה ואנו משנים את ההגבר ברגע זה).

  43. חוג מיקום – הגבר משתנה לוגיקה הסופית נראית כך: כאשר את ההגבר ה"קטן" קבלנו אחרי שורה של ניסוים.

  44. בקר - סיכום • לסיכום, בקר שלנו מורכב משלושה חוגים עוקבים: • לינאריזציית מצב • חוג מהירות • חוג מיקום – חוג הגבר משתנה • דיאגרמת בלוקים של הבקר נראית כך:

  45. סדר הדברים • מבנה המערכת • אמצעי משוב • מגברי PWM • רקע תאורטי • מידול מערכת • מידול מנוע בודד • מידול מערכת שלמה • מימוש ב-SIMULINK • תכנון בקר • בקר לא לינארי – לינארזציית מצב • חוג מהירות • חוג מיקום – הגבר משתנה. • בדיקות ביצועים • מנוע 1 • מנוע 2 • 2 מנועים ביחד

  46. סדר הדברים • מבנה המערכת • אמצעי משוב • מגברי PWM • רקע תאורטי • מידול מערכת • מידול מנוע בודד • מידול מערכת שלמה • מימוש ב-SIMULINK • תכנון בקר • בקר לא לינארי – לינארזציית מצב • חוג מהירות • חוג מיקום – הגבר משתנה. • בדיקות ביצועים • מנוע 1 • מנוע 2 • 2 מנועים ביחד

  47. ציר 1 • זמן התכנסות (כניסה לשרוול של 0.4 מעלה) הינו 0.28 שניות לפקודה גדולה ו0.12 שניות לפקודה קטנה • שגיאת מצב מתמיד הינה בערך 0.2 מעלה

  48. סדר הדברים • מבנה המערכת • אמצעי משוב • מגברי PWM • רקע תאורטי • מידול מערכת • מידול מנוע בודד • מידול מערכת שלמה • מימוש ב-SIMULINK • תכנון בקר • בקר לא לינארי – לינארזציית מצב • חוג מהירות • חוג מיקום – הגבר משתנה. • בדיקות ביצועים • מנוע 1 • מנוע 2 • 2 מנועים ביחד

More Related